КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Струк Роман Федорович

УДК 624.012:620.193

ВПЛИВ ТРИВАЛИХ ПРОЦЕСІВ ТА КОРОЗІЇ НА МІЦНІСТЬ

ЗАЛІЗОБЕТОННИХ БАЛОК ПРИ ДІЇ НАВАНТАЖЕННЯ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Будівельні конструкції та мости” Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент

БЛІХАРСЬКИЙ Зіновій Ярославович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

доцент кафедри будівельних конструкцій та мостів

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

БАРАШИКОВ Арнольд Якович

Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

КРІТОВ Віталій Олексійович

Науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, м. Київ, завідувач відділу огороджувальних конструкцій будівель та споруд | Провідна установа: | Одеська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра залізобетонних та кам’яних конструкцій. |

Захист відбудеться 1 липня 2005р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 в Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий 23 травня 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04,

к.т.н., с.н.с. В.Г. КобієвЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Досить часто експлуатація залізобетонних конструкцій будівель та споруд відбувається в агресивному навколишньому середовищі. Це стосується більшості промислових будівель, особливо з хімічним виробництвом, морських прибережних споруд, експлуатації будівель у відкритих середовищах, тощо. Дія агресивного середовища викликає корозію бетону та арматури залізобетонних конструкцій і, як наслідок, зменшує їх несучу здатність та експлуатаційну придатність. Це накладає свій відбиток на вимоги до їх проектування та прогнозування надійного ресурсу. Для адекватної оцінки експлуатаційного терміну різних будівель з корозійними пошкодженнями конструкцій необхідно в кожному конкретному випадку враховувати взаємну дію різних чинників на їх працездатність.

Особливістю корозії залізобетонних конструкцій реальних будівель та споруд є те, що процеси деградації проходять під навантаженням, як мінімум від власної ваги конструкцій, при дії певного рівня напружень в бетоні та арматурі. Це вносить свої особливості в корозійні процеси, пов’язані зі зміною щільності матеріалів, їх структури, прогресуючому впливу корозійних пошкоджень, викликаному концентрацією напружень в місцях дефектів. Важливим питанням є розроблення методик розрахунку несучої здатності та експлуатаційної придатності залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями. Це пов’язано з необхідністю визначення довговічності і надійності будівель та споруд, термінів їх безпечної експлуатації. Оскільки на даний час не існує єдиної теорії розрахунку залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями бетону та арматури актуальним є розробка методик розрахунку на базі діючих норм.

Отже, дослідження корозії залізобетонних конструкцій, яка відбувається з часом при наявності агресивного середовища є актуальною, особливо беручи до уваги те, що за різними даними щорічні втрати від корозії, як в нашій країні, так і за кордоном становлять 4…6% ВВП. Актуальність досліджень корозійних впливів на несучу здатність та експлуатаційну придатність залізобетонних конструкцій підтверджується також Указом Президента України №1420/98 від 31.12.1998р. "Про нейтралізацію загроз, обумовлених погіршенням екологічної і техногенної обстановки в Україні", Постановою Кабінету Міністрів України №409 від 15.05.1997р. "Про забезпечення надійної та безпечної експлуатації будівель, споруд та інженерних мереж", Рішенням Міжвідомчої комісії з питань науково-технологічної безпеки при Раді національної безпеки і оборони України від 14.02.2002р. "Про технічний стан і залишковий ресурс конструкцій та споруд основних галузей господарства України".

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з тематикою наукових досліджень кафедри будівельних конструкцій та мостів Національного університету "Львівська політехніка": "Дослідження міцності, деформативності і надійності звичайних та попередньо напружених залізобетонних конструкцій", а також в рамках держбюджетної теми "Розробити рекомендації з розрахунку несучої здатності залізобетонних існуючих мостів при наявності корозійних пошкоджень арматури" (№ держреєстрації 0104U002384).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є визначення експериментальним та теоретичним шляхом параметрів міцності і деформативності бетонних та залізобетонних конструкцій при одночасній дії навантаження і агресивного середовища з урахуванням тривалих процесів.

Для досягнення поставленої мети були розв’язані такі задачі досліджень:

§ розробка методики експериментальних та теоретичних досліджень бетонних і залізобетонних конструкцій при одночасній дії агресивного середовища та навантаження з урахуванням впливу тривалих процесів в бетоні і арматурі;

§ виконання експериментальних досліджень зразків бетону та арматури при дії агресивного середовища і навантаження;

§ дослідження впливу тривалих процесів на протікання корозії залізобетонних балок під навантаженням;

§ розробка пропозицій щодо розрахунку бетонних стиснутих та залізобетонних згинальних елементів з урахуванням корозійних пошкоджень та впливу повзучості і усадки бетону.

Об’єкт досліджень – бетонні і залізобетонні елементи будівельних конструкцій, які експлуатуються в агресивному середовищі.

Предмет досліджень – тривалі процеси в бетонних та залізобетонних балкових конструкціях, що перебувають під одночасним впливом навантаження та агресивного середовища.

Методи досліджень передбачають використання експериментальних прискорених випробовувань бетонних і залізобетонних елементів з застосуванням, на базі діючих нормативів, спеціально розроблених пристроїв для забезпечення можливості одночасного прикладання навантаження і агресивного середовища у часі (Пат. №61706А Україна, МКИ 7 G 01 N3/08). Використовували метод рентгенофазового аналізу (дифрактрометр ДРОН-2), мікроструктурного аналізу (електронний мікроскоп ТЕSLА ВS – 300), метод розрахунку залізобетонних конструкцій за граничними станами.

Наукова новизна отриманих результатів:

§ результати аналізу проведених експериментальних досліджень зразків бетону та арматури в часі при одночасній дії агресивного середовища та навантаження;

§ результати узагальнення і аналізу експериментальних даних, отриманих для залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями, зруйнованих внаслідок тривалої дії навантаження та агресивного середовища;

§ обґрунтування необхідності корегування методів визначення впливу умов роботи арматури у розрахунках згинальних елементів при одночасній дії навантаження та агресивного середовища у часі.

Практичне значення отриманих результатів полягає в можливості використання отриманих даних експериментально-теоретичних досліджень при оцінці технічного стану, експлуатаційної придатності, надійності залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями, отриманими в часі при одночасній дії агресивного середовища і навантаження. Розроблені на основі виконаних досліджень пропозиції з розрахунку дозволяють з достатньою точністю визначати залишковий ресурс міцності нормальних перерізів залізобетонних згинальних елементів з корозійними пошкодженнями.

Результати досліджень були використані Державним дорожнім науково-дослідним інститутом ДерждорНДІ ім. Шульгіна (м. Київ) при розробці рекомендацій з розрахунку несучої здатності залізобетонних конструкцій існуючих мостів при наявності корозійних пошкоджень арматури. За участю автора і з використанням результатів виконаних експериментально-теоретичних досліджень визначено технічний стан та залишковий ресурс міцності несучих залізобетонних конструкцій головного корпусу Добротвірської ТЕС ВАТ “Західенерго”. Окремі результати роботи також були впроваджені в навчальний процес.

Особистим внеском здобувача у роботі є:

§ виконання експериментальних досліджень зразків бетону, арматури та залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями, зруйнованих внаслідок тривалої дії навантаження та агресивного середовища;

§ обробка результатів експериментальних досліджень бетону, арматури та залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями;

§ пропозиції щодо використання коефіцієнта умов роботи арматури з корозійними пошкодженнями при розрахунку міцності залізобетонних балок.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідали й обговорювали на п'ятій всеукраїнській науково-технічній конференції "Будівництво в сейсмічних районах України" (Україна, м. Ялта, 24-29 травня 2004р), VІІ міжнародній конференції-виставці “Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів “КОРОЗІЯ-2004” “ (Україна, м. Львів, ФМІ НАН України, 8-10 червня 2004 р.), IX International Scientific Conference Z 37 “Current issues of civil and environmental engineering” (Polska, Rzeszow, Politechnika Rzeszowska, 5-6 wrzesnia 2004), четвертій Всеукраїнській науково-технічній конференції "Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону" (м. Суми, 15 – 19 березня 2005р.). Дисертація в повному об’ємі доповідалась на кафедрі залізобетонних та кам’яних конструкцій КНУБА і отримала позитивну оцінку.

Публікації. Основні наукові результати за темою дисертаційної роботи опубліковані у 8 наукових працях, у тому числі 7 статей у фахових наукових збірниках і 1 стаття у матеріалах науково-технічної конференції.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел із 163 найменувань, одного додатку. Робота викладена на 134 сторінках, у тому числі містить 113 сторінок основного тексту, 12 таблиць і 49 рисунків, 17 сторінок списку використаних джерел, 3 сторінки додатку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми дисертації, сформульовано мету, задачі і методичні основи виконаних досліджень, наукову новизну та практичне значення роботи, викладені основні положення, що виносяться на захист.

В першому розділі викладено стан проблеми та сформульовані задачі дослідження, проаналізовано та узагальнено виконані на даний час експериментальні та теоретичні дослідження корозії бетону, арматури та залізобетонних балок в агресивних середовищах.

Вивченням корозії бетонних та залізобетонних елементів займалося багато вчених, зокрема Алєксєєв С.Н., Бабушкін В.І., Бліхарський З.Я., Вербецький Г.П., Гузєєв Е.А., Іванов Ф.М., Лучко Й.Й., Любарська Г.В., Москвін В.М., Новік А.Ф., Овчинніков І.Г., Полак А.Ф., Рубецька Т.В., Савицький М.В., Файвусович А.С., Чернявський В.Л. та інші. В результаті виконаних досліджень розроблено класифікацію видів корозії, агресивних середовищ, видів корозійних пошкоджень, систем захисту, що було відображено в діючих нормах.

Корозією арматури, металевих елементів та різних сплавів займалися такі вчені, як Алєксєєв С.Н., Вербецький Г.П., Горохов Є.В., Карпенко Г.В., Красовська Г.М., Корольов В.П., Москвін В.М., Похмурський В.І., Хома М.С. та інші. Встановлено основні аналітичні залежності корозії металів, вплив тріщин на корозію арматури залізобетонних елементів, досліджено явище корозійного розтріскування сталей в агресивному середовищі.

Дослідженням впливу тривалих процесів, різного роду пошкоджень та дефектів (в т.ч. корозійних) на залізобетонні конструкції та методів їх відновлення займались Барашиков А.Я., Бліхарський З.Я., Бондаренко В.М., Вахненко П.Ф, Голишев О.Б., Дорофєєв В.С., Крітов В.О., Лівшиц Я.Д., Шагін А.Л., Уліцький Й.Й. та інші.

Необхідно зауважити, що в більшості робіт експериментальні та теоретичні дослідження впливу корозії на бетонні та залізобетонні конструкції виконувалися без врахування напруженого стану при дії навантаження. В зв’язку з цим в пропонованій роботі виконано дослідження впливу одночасної дії агресивного середовища і навантаження в часі на характеристики міцності бетону, арматури та залізобетонних балок.

У другому розділі подано методику експериментальних досліджень зразків бетону, арматури та залізобетонних балок при одночасній дії агресивного середовища та навантаження. |

Рис. 1. Силовий стенд для навантаження бетонних призм тривалим зусиллям | Експериментальні дослідження бетону виконувались шляхом випробування призм з розмірами 100?100Ч400 ?м. Призми випробовували на спеціально виготовлених стендах. На призми діяло центрально прикладене стискаюче зусилля, за допомогою якого створювали різні рівні початкових напружень . Постійна величина зусилля протягом всього терміну випробування підтримувалась за допомогою металевих пружин. Контроль за величиною зусилля вівся за допомогою протарованого кільцевого динамометра. Конструкція стенда подана на рис.1.

Призми випробовували при дії навантаження в агресивному середовищі, у воді і на повітрі. В якості агресивного середовища використовували 10%-ий розчин сірчаної кислоти, який заливався в спеціальні, закріплені на призмах, ємності. Всього було випробувано 20 призм, виготовлених із тяжкого бетону з використанням суперпластифікатора.

Для випробування арматури із стержнів O20 А-ІІІ були виготовлені спеціальні стандартні зразки гантелеподібної форми.

Зразки арматури випробовували в агресивному середовищі при дії статично прикладеного зусилля розтягу та при дії циклічного навантаження з характеристикою асиметрії циклу . В загальній кількості було випробувано 55 дослідних зразків. Випробування виконували на спеціальних установках у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України (м. Львів). Агресивне середовище у вигляді розчинів NaCl аналогічно, як для призм, подавалось в спеціальні, закріплені на зразках, ємності.

Залізобетонні балки випробовували шляхом прикладання постійно діючого згинального моменту від двох зосереджених сил у третинах прольоту. При цьому створювався різний рівень початкового навантаження 0,37…0,75 ( – величина згинального моменту для аналогічних залізобетонних балок без корозійних пошкоджень, при якому було досягнуто текучість арматури). Агресивне середовище у вигляді 10%-го розчину сірчаної кислоти також подавали в спеціальні, закріплені на балках, ємності. Після руйнування в часі внаслідок одночасної дії агресивного середовища та навантаження залізобетонні балки з корозійними пошкодженнями розрізали через кожні 100 мм по довжині для можливості дослідження поперечних перерізів після тривалої дії корозійного середовища та навантаження. При цьому з поперечних перерізів відбирали проби бетону, які досліджували за допомогою електронного мікроскопа ТЕSLА ВS – 300 та з використанням рентгенофазового аналізу на дифрактрометрі ДРОН-2.

У третьому розділі викладено результати експериментальних досліджень та їх аналіз. Експериментальними випробуваннями бетонних призм встановлено, що при одночасній дії агресивного середовища та навантаження в часі їх руйнування відбулось внаслідок зменшення розмірів поперечного перерізу і, як наслідок, збільшення напружень в бетоні. Руйнування відбулось на 56…106 добу в залежності від рівня початкових напружень. Результати подано в табл. 1.

Таблиця 1

Результати експериментальних випробувань бетонних призм

Серія | Маркування

призми | До занурення в Н2SO4 | Після витримування взірців в Н2SO4 (при руйнуванні) | Початкові | Площа пе-рерізу, см2Площа пе-рерізу, см2Контактний шар, мм | Кінцеві | Час руйн.,

доби | b/Rbb,

10+5 | b, МПа | b,

10+5b,

МПа | Приріст

b 10+5b/Rb | призми | серії | призми | серії | Серія 1 | ПД-1.1к | 0.25 | 25 | 10.3 | 102,0 | 37,8 | 3,0 | 173 | 33.6 | 148 | 0,82 | 0,84 | 104 | 106 | ПД-1.2к | 0.25 | 26 | 10.2 | 102,0 | 36,9 | 2,8 | 182 | 34.4 | 156 | 0,84 | 110 | ПД-1.3к | 0.24 | 24 | 10.0 | 101,0 | 35,5 | 2,7 | 177 | 35.7 | 153 | 0,87 | 105 | Серія 2 | ПД-2.1к | 0.35 | 37 | 14.3 | 104,0 | 54,8 | 2,7 | 184 | 33.2 | 147 | 0,81 | 0,82 | 80 | 79 | ПД-2.2к | 0.35 | 37 | 14.4 | 103,0 | 51,3 | 2,5 | 190 | 35.3 | 153 | 0,86 | 83 | ПД-2.3к | 0.35 | 36 | 14.2 | 100,0 | 53,3 | 3,1 | 178 | 32.8 | 142 | 0,80 | 75 | Серія 3 | ПД-3.1к | 0.44 | 48 | 18.2 | 102,0 | 67,2 | 2,6 | 192 | 34.0 | 144 | 0,83 | 0,85 | 56 | 56 | ПД-3.2к | 0.45 | 46 | 18.5100,0 | 65,6 | 2,9 | 187 | 34.4 | 141 | 0,84 | 54 | ПД-3.3к | 0.45 | 48 | 18.5102,0 | 64,1 | 3,0 | 197 | 36.1 | 149 | 0,88 | 59 | ПД-3.4в | 0.46 | 49 | 18.8 | 101,0– | 53,5 | 18.4 | 4.5––– | ПД-3.5в | 0.45 | 48 | 18.4 | 101,0– | 51,5 | 18.3 | 3.5 | ПД-3.6 | 0.45 | 47 | 18.4 | 100,0– | 85,0 | 18.1 | 38,0 | ПД-3.7 | 0.45 | 48 | 18.5 | 102,0– | 88,5 | 18.2 | 40,5 | Серія 4* | ПД-4.3к | 0,35 | 45 | 18,3 | 104,0 | 51,8 | 2,3 | 235,0 | 44,5 | 190,0 | 0,83 | 0,860 | 90 | 89 | ПД-4.4к | 0,36 | 48 | 18,5 | 103,0 | 49,0 | 2,1 | 239,0 | 47,2 | 191,0 | 0,91 | 87 | ПД-4.5к | 0,36 | 46 | 18,3 | 102,0 | 51,1 | 2,5 | 246,0 | 45,0 | 200,0 | 0,84 | 92 | ПД-4.6в | 0,35 | 48 | 18,4 | 103,0– | 51,0 | 18,2 | 3,0––– | ПД-4.7в | 0,34 | 44 | 18,7 | 100,5– | 46,5 | 18,6 | 2,5 | ПД-4.1 | 0,34 | 45 | 18,6 | 102,0– | 76,5 | 18,4 | 31,5 | ПД-4.2 | 0,36 | 48 | 18,5 | 101,5– | 80,5 | 18,2 | 32,5 | Примітка: * – результати серії отримані Хмілем Р.Є.

Аналіз отриманих результатів показав, що руйнування всіх призм відбувалось при напруженнях, менших від призмової міцності бетону . Дослідження поперечних перерізів призм з використанням електронного мікроскопа та дифрактрометра показали, що внутрішні шари бетону мали щільну, не порушену і не пошкоджену структуру. В зовнішньому шарі бетону, який контактував з агресивним середовищем виявлено наявні продукти корозії та тріщини, що є наслідком дії корозійних явищ. Товщина зовнішнього частково деградованого шару бетону складала 2,1…3,1 мм. Графіки залежності напружень від деформацій та деформації в часі носили криволінійний характер з інтенсивним збільшенням деформацій перед руйнуванням, що пов’язано із збільшенням пластичних деформацій бетону при напруженнях, близьких до .

Випробування зразків арматури в корозійному середовищі при дії статично прикладеного зусилля розтягу показали, що наявність корозійних пошкоджень прак-тично не приводить до зміни межі текучості та тимчасового опору (табл.2).

Таблиця 2

Механічні властивості арматурної сталі

Зразок | уu, МПа | у0,2, МПа | ш, % | д, % | Вихідний 1 | 509,5 | 319,7 | 63,5 | 26,7 | Вихідний 2 | 504,5 | 314,7 | 61,6 | 28,4 | Вихідний 3 | 514,5 | 318,7 | 62,5 | 27,2 | Вихідний 4 | 512,5 | 322,2 | 61,8 | 27,7 | Усереднене значення | 510,3 | 318,8 | 62,3 | 27,5

Зразок 1 з КП (15 діб витр.) | 508,3 | 315,6 | 54,6 | 27,1 | Зразок 2 з КП (20 діб витр.) | 510,9 | 315,9 | 53,3 | 26,8 | Зразок 3 з КП (25 діб витр.) | 509,5 | 319,0 | 53,3 | 26,4 | Зразок 4 з КП (30 діб витр.) | 504,5 | 314,2 | 51,0 | 22,2 | Примітка: КП – корозійні пошкодження

Однак при дослідженні зафіксовано зменшення до 22% пластичних характеристик сталі – відносного видовження ? та відносного звуження ?.

При дії циклічних навантажень в корозійному середовищі встановлено, що межа втоми на базі 107 циклів при складає МПа, що видно з графіків рис.2. Це складає близько 20% від межі текучості. Межа втоми вихідних зразків без корозійних пошкоджень на базі 107 циклів складає МПа. Отже, експериментальними дослідженнями встановлено значне зменшення межі втоми зразків арматури з корозійними пошкодженнями в агресивному середовищі. |

Рис. 2. Криві втоми на повітрі (1,2) і в 3% розчині NaCl (3) арматурної сталі:

1,2 – вихідні зразки; 3 – зразки з корозійними пошкодженнями в агресивному середовищі | Дослідження за допомогою електронного мікроскопу шліфів зразків арматури після руйнування показали, що при наявності корозійних пошкоджень на поверхні зароджується кілька корозійних тріщин, які приводять до руйнування. Для зразків без корозійних пошкоджень на поверхні зароджується лише одна тріщина.

Експериментальними випробуваннями залізобетонних балок в агресивному середовищі при дії навантаження встановлено, що їх руйнування пройшло внаслідок зменшення поперечного перерізу від корозії бетону. У всіх балках було досягнуто текучість арматури. При цьому розрахункові величини міцності нормальних перерізів, визначені згідно з діючими нормами, перевищували експериментальні дані до 13.7%, що не дає достатнього запасу міцності. |

Рис. 3. Форма поперечного перерізу балок внаслідок дії агресивного середовища | Дослідження поперечних перерізів балок після руйнування показало, що практично всі вони мали овалоподібну форму з найбільшою шириною близько нейтральної осі і найменшою на верхній стиснутій і нижній розтягнутій гранях, що видно з рис. 3. Це пояснюється тим, що із збільшенням напружень інтенсивність корозійних пошкоджень бетону збільшується.

Виконані за допомогою електронного мікроскопу та рентгенофазового аналізу дослідження бетону поперечного перерізу балок показали, що аналогічно призмам внутрішні шари бетону мали не пошкоджену структуру. А зовнішні шари перерізів мали контактний шар частково деградованого бетону з продуктами корозії та корозійними тріщинами. Товщина шару складала 2,0…3,5 мм.

В четвертому розділі розроблено пропозиції щодо розрахунку бетонних та залізобетонних конструкцій з корозійними пошкодженнями бетону і арматури.

При розрахунку стиснутих бетонних елементів пропонується розглядати розрахунковий поперечний переріз, який складається з внутрішнього, не пошкодженого корозією бетону, та зовнішнього частково деградованого шару бетону (рис. 4).

Як характеристика міцності бетону приймається приведена призмова міцність бетону:

, | (1) | де – сумарна площа стиснутого перерізу; – площа не-пошкодженого корозією стиснутого бетону; – площа частково деградо-ваного дією корозії контактного шару стиснутого бетону; – призмова міцність не пошкодженого корозією бетону; – призмова міцність пошкодженого корозією контактного шару бетону. |

Рис.4. Поперечний переріз бетонних призм:

1 – контури перерізу призми до корозії;

2 – не пошкоджений бетон; 3 – контактний шар частково деградованого бетону | Характеристики міцності не пошкодженого та пошкодженого корозією бетону та визначають неруйнівними методами або прямими випробовуваннями відібраних зразків. Міцність стиснутих бетонних елементів з корозійними пошкодженнями визначають з умови:

, | (2) | де bc – коефіцієнтом умов роботи стиснутого бетону з корозійними пошкодженнями.

При значеннях розрахункові величини міцності стиснутих бетонних елементів задовільно узгоджуються з експериментальними даними, розбіжність не перевищує 5,9%. При цьому в більшості експериментальні дані перевищують розрахункові величини.

Деформації стиснутих бетонних елементів при одночасній дії стискаючого зусилля та агресивного середовища пропонується визначати, як сумарні від дії стискаючого зусилля і від повзучості та усадки чи набухання бетону.

Деформації від зусилля стиску визначають з використанням реальних діаграм за ФІП-ЄКБ:

. | (3) | Деформації повзучості:

, | (4) | де – коефіцієнт, що враховує наявність корозійних пошкоджень.

Деформації усадки:

. | (5) | При наявності деформацій набухання їх величину визнають за формулою:

, | (6) | де – перехідний коефіцієнт від деформацій усадки до деформацій набухання.

В формулах (4) та (5) – коефіцієнти, які враховують вплив вологості, розмірів конструкції, час навантаження.

Сумарні теоретичні деформації бетону призм з урахуванням тривалих процесів та корозії будуть рівні:

, (7)

де – деформації бетону при короткочасному навантаженні призм, – деформації бетону, які збільшуються внаслідок приросту напружень в часі внаслідок зменшення поперечного перерізу при корозійних пошкодженнях.

Як видно з графіків, поданих на рис. 5, експериментальні та розрахункові величини повних деформацій задовільно узгоджуються. |

Рис. 5. Зміна повних деформацій бетону в часі | Розрахунок міцності нормальних перерізів пропонується виконувати з використанням загального випадку розрахунку діючих норм. Розрахунковий поперечний переріз включає не пошкоджений корозією внутрішній бетон та зовнішній частково деградований внаслідок корозії шар бетону. Форма стиснутої та розтягнутої зон поперечного перерізу приймається трапецевидною, що найбільше відповідає реальній овалоподібній формі перерізу балок. Розрахунковий переріз поданий на рис.6.

Висота та ширина перерізу визначається з врахування повністю прокородованого бетону . Ширина верхньої стиснутої грані перерізу визначається з урахуванням коефіцієнта інтенсивності корозії , який залежить від величини напружень в бетоні .

Рис.6. Розрахунковий поперечний переріз балки

В розрахунках міцності, аналогічно стиснутим бетонним елементам, використовується приведена міцність бетону . Центр ваги стиснутої зони бетону визначається, як для приведеного перерізу з врахуванням трапецевидної її форми та наявності зовнішнього частково деградованого внаслідок корозії шару бетону. Міцність нормальних до повздовжньої осі перерізів залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями перевіряють за умовою:

, | (8) | де – коефіцієнти умов роботи, відповідно бетону та арматури з корозійними пошкодженнями. Експериментально встановлено, що та .

Результати розрахунку міцності нормальних перерізів експериментальних балок з корозійними пошкодженнями подано в табл.3.

Порівняльний аналіз показує, що результати розрахунків задовільно узгоджуються з експериментальними даними, розбіжність для більшості балок складає до 10%. Лише для двох балок розбіжність була 14,7…17,6%. При цьому у всіх випадках розрахункові величини міцності були меншими від експериментальних, що забезпечує надійність результатів розрахунків.

Розрахунок на витривалість залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями арматури без попереднього напруження пропонується виконувати за умовою:

, (9)

де – коефіцієнт умов роботи арматури з корозійними пошкодженнями при дії циклічних навантажень, який визначений експериментально при характеристиці асиметрії циклу .

Таблиця 3

Міцність експериментальних балок пошкоджених корозією

Серія | Шифр балок | Кінцеві розміри перерізу | Контактний шар, мм | Згинальні моменти, кНсм | Експе-римент

| Розрахунок | бетону bh, мм | арма-тури, мм | Норми

Методика |

1 | БД 1.2-0,7к | 74,4174,3 | 14 | 3,5 | 1759,4 | 1956,9 | 1702,7 | 1,112 | 0,968

БД 1.3-0,7к | 70,2169,6 | 14 | 3,3 | 1921,2 | 1668,5 | 1,092 | 0,948 | БД-1.4к (bс=1)* | 58,0171,0 | 14 | 3,6 | 1773,3 | 1781,2 | 1633,4 | 1,004 | 0,921 | 2 | БД 2.3-0,37к | 56,5162,3 | 9,6 | 2,0 | 880,3 | 979,8 | 868,9 | 1,113 | 0,987 | БД 2.4-0,37к | 51,1161,7 | 9,55 | 2,3 | 969,4 | 857,4 | 1,101 | 0,974 | БД 2.5-0,75к | 66,8170,9 | 14 | 2,4 | 1817,7 | 1971,2 | 1733,7 | 1,084 | 0,954

БД 2.6-0,75к | 71,9173,9 | 14 | 2,4 | 2013,1 | 1769,2 | 1,107 | 0,973 | БД 2.7-0,55к | 59,5160,4 | 12,0 | 2,3 | 1311,0 | 1447,8 | 1273,8 | 1,104 | 0,972

БД 2.8-0,55к | 53,7160,0 | 12,0 | 2,1 | 1426,9 | 1253,0 | 1,088 | 0,958 | 3 | БД 3.2-0,7к | 70,4177,2 | 12 | 3,6 | 1369,9 | 1558,1 | 1366,1 | 1,137 | 0,997

БД 3.3-0,7к | 68,2176,9 | 12 | 3,7 | 1550,6 | 1357,5 | 1,132 | 0,991 | БД-3.4к (bс=1)* | 60,0169,0 | 12 | короткочасне випробування – руйн. за похил. перер. | 4 | БД 4.2-0,7к | 71,3171,0 | 16 | 3,4 | 2141,9 | 2176,9 | 1764,7 | 1,016 | 0,824 | БД 4.3-0,7к | 72,9175,0 | 16 | 3,2 | 2246,3 | 1827,1 | 1,049 | 0,853 | БД-4.4к (bс=1)* | 60,5172,0 | 16 | 3,2 | 1963,3 | 1933,1 | 1766,6 | 0,985 | 0,900 | Примітка: * - зазначені балки перебували тривалий час в агресивному середовищі без навантаження з наступним короткочасним випробуванням їх до руйнування.

ВИСНОВКИ

1. Виконано експериментальні та теоретичні дослідження бетону, арматури та залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями, зруйнованих при одночасній дії навантаження та агресивного середовища, що дозволило розробити методику розрахунку залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями. Дана методика дозволяє в доповнення до норм точніше визначати міцність нормальних перерізів залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями. Це забезпечить надійність залізобетонних конструкцій, які експлуатуються в агресивному середовищі.

2. Розроблено методики дослідження бетонних призм та зразків арматури з корозійними пошкодженнями при одночасній дії навантаження та агресивного середовища. Запропоновано методику експериментальних досліджень розрізів поперечних перерізів залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями, зруйнованих при одночасній дії навантаження та агресивного середовища. Розроблені методики були застосовані при проведенні експериментальних досліджень.

3. Виконано експериментальні дослідження бетонних призм під навантаженням у часі з одночасною дією агресивного середовища. Всі призми зруйнувалися внаслідок зменшення поперечного перерізу від корозійних пошкоджень. Визначені без врахування корозії теоретичні величини стискаючого зусилля були на 10…12% більшими, ніж експериментальні значення. При цьому враховувався вплив поздовжнього згину в зв’язку зі зменшенням поперечного перерізу призм внаслідок корозійних пошкоджень.

4. Експериментальні випробовування зразків арматурних сталей при дії статично прикладеного зусилля розтягу та одночасній дії агресивного середовища показали, що корозійні пошкодження незначно впливають на характеристики міцності. Однак зафіксовано зменшення величини відносного звуження на 4…22%. та відносного видовження на 14...22%. Враховуючи те, що в дослідженнях Москвіна В.М., Вербецького Г.П. з іншими арматурними сталями зафіксовано зменшення характеристик міцності до 12%, а в дослідженнях Карпенка Г.В. – до 6%, пропонується для врахування корозійних пошкоджень ввести коефіцієнт умов роботи арматури . При дії циклічних навантажень експериментально встановлено, що корозійні пошкодження при характеристиці асиметрії циклу викликають значне зменшення межі втоми до 20...24% від межі текучості вихідних зразків без корозійних пошкоджень.

5. Експериментальні дослідження поперечних розрізів залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями, зруйнованих внаслідок одночасної дії навантаження та агресивного середовища показали, що подібно до бетонних призм бетон внутрішніх перерізів балок має не порушену структуру. В зовнішньому шарі бетону виявлено мікротріщини та продукти корозії, які служать концентраторами напружень. Це підтверджує необхідність застосування коефіцієнта умов роботи бетону з корозійними пошкодженнями . Поперечний переріз зруйнованих залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями мав овалоподібну форму. Найменша ширина перерізу була на верхній і нижній гранях, на яких діють максимальні, відповідно, стискаючі і розтягуючі напруження. Найбільша ширина перерізів зафіксована на рівні нейтральної осі. Це свідчить про зростання інтенсивності корозії із збільшенням напружень.

6. Запропоновано методику розрахунку стиснутих бетонних елементів з корозійними пошкодженнями. Наявність корозії бетону враховується коефіцієнтом умов роботи бетону , який пропонується приймати рівним 0.9, що було також підтверджено раніше виконаними дослідженнями. Розрахункові величини несучої здатності стиснутих бетонних призм з корозійними пошкодженнями задовільно узгоджуються з експериментальними даними.

7. Виведено залежності для визначення деформацій усадки (набухання) та повзучості бетону з корозійними пошкодженнями. Визначені розрахунковим шляхом повні деформації бетону, які включали деформації від дії навантаження, деформації повзучості і набухання задовільно узгоджуються з результатами випробування бетонних призм при одночасній дії навантаження та агресивного середовища. Розбіжність не перевищує 12%.

8. Розрахунок несучої здатності нормальних перерізів залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями за діючими нормами, які не передбачають урахування впливу корозії, показав, що в більшості випадків теоретичні значення перевищують експериментальні дані, що не дає запасу міцності і не забезпечує надійність конструкцій. Розбіжність складає до +13,7%. Запропоновано методику розрахунку міцності нормальних перерізів залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями. Наявність корозії бетону та арматури враховують відповідними коефіцієнтами умов роботи і . Розрахунковий поперечний переріз складається з внутрішнього не пошкодженого корозією бетону та зовнішнього частково деградованого шару бетону зі своїми фізико-механічними характеристиками. Форма стиснутої та розтягнутої частин перерізу трапецієвидна, що найбільше відповідає овалоподібній формі поперечного перерізу експериментальних балок. Визначені згідно запропонованої методики розрахункові величини несучої здатності нормальних перерізів задовільно узгоджуються з експериментальними даними. Розбіжність складає до 5,2%, для окремих балок 14,7…17,6%. При цьому всі розрахункові значення несучої здатності менші, ніж експериментальні, що забезпечує певний запас міцності та надійність залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями.

9. Запропоновано уточнення методики розрахунку витривалості нормальних перерізів залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями арматури при дії багаторазово повторюваних навантажень. Наявність корозійних пошкоджень арматури пропонується враховувати відповідними коефіцієнтами умов роботи.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бліхарський З.Я., Струк Р.Ф. Деформативність бетонних та залізобетонних елементів з корозійними пошкодженнями при врахуванні тривалих процесів // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. праць. – Рівне, 2003. – вип. 10. – С.65-69.

Особистий внесок здобувача полягає в експериментальному визначенні зміни деформацій бетону та напружень в часі для бетонних стиснутих елементів.

2. Бліхарський З., Хміль Р., Струк Р., Вашкевич Р. Корозія залізобетонних конструкцій з урахуванням тривалих процесів // Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів: Т.1. / Спецвипуск журналу „Фізико-хімічна механіка матеріалів”.-№4.-Львів: ФМІ НАН України, 2004. – С.187-192.

Особистий внесок здобувача полягає в експериментальному визначенні зміни деформацій бетону в часі для бетонних стиснутих елементів.

3. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є., Вашкевич Р.В., Струк Р.Ф. Дослідження міцності залізобетонних балок. відновлених після впливу агресивного середовища // Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій: Зб. наук. праць. - Випуск 6 – Львів, Каменяр, 2004. – С. 14-18.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні та обробці виконаних експериментальних досліджень.

4. Бліхарський З.Я., Хміль Р.Є., Вашкевич Р.В., Струк Р.Ф. The influence of simultaneous action of the aggressive environment and loading on strength of reinforced concrete beams // Budownictvo i inzynieria srodowiska. Z.37. Aktualne problemy budownictwa i inzynierii srodowiska.-Rzeszow. - 2004. - р. 27-32.

Особистий внесок здобувача полягає в побудові графіків, обробці результатів експериментальних досліджень.

5. Бліхарський З.Я., Вашкевич Р.В., Струк Р.Ф. Методика розрахунку залізобетонних конструкцій, відновлених після корозії // Вісник Одеської Академії будівництва та архітектури. – Одеса „Місто майстрів”, 2004. – С.41-47.

Особистий внесок здобувача полягає в виконанні розрахунків міцності відновлених після корозії балок.

6. Бліхарський З.Я., Струк Р.Ф. Врахування корозії залізобетонних конструкцій при їх експлуатації в сейсмічних районах // Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково-технічний збірник. Вип. №60. -Київ: НДіБК, 2004 - С. 679-684.

Особистий внесок здобувача полягає в експериментальних дослідженнях поперечного перерізу залізобетонних балок, зруйнованих при одночасній дії агресивного середовища і навантаження.

7. Бліхарський З.Я., Струк Р.Ф. Розрахунок залишкової несучої здатності нормальних перерізів залізобетонних балок з корозійними пошкодженнями // Будівельні конструкції. Міжвідомчий науково-технічний збірник. Вип. №62. Т. 1 - Київ: НДіБК, 2005 - С. 72-76.

Особистий внесок здобувача полягає в апробації методу розрахунку та порівнянні результатів розрахунків з експериментальними даними.

8. Струк Р.Ф. Корозія залізобетонних балок при дії навантаження // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. праць. – Рівне, 2004. – вип. 11. – С. 288-292.

АНОТАЦІЯ

Струк Р.Ф. Вплив тривалих процесів та корозії на міцність залізобетонних балок при дії навантаження. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – “Будівельні конструкції, будівлі та споруди”. – Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти України, Київ, 2005.

Подаються результати експериментальних та теоретичних досліджень корозії бетону та арматури залізобетонних балок при одночасній дії агресивного середовища та навантаження різної інтенсивності. Розглядаються особливості корозії та зміни форми поперечних перерізів стиснутих бетонних елементів та залізобетонних балок при дії навантаження. Пропонується при розрахунку міцності стиснутих бетонних елементів та залізобетонних балок користуватися розрахунковим поперечним перерізом, який має не пошкоджений внутрішній бетон та зовнішній шар частково деградованого корозією бетону із зменшеними характеристиками міцності. Стиснута зона бетону балок приймається трапецевидної форми, що найбільше відповідає реальній формі поперечних перерізів, зруйнованих внаслідок одночасної дії агресивного середовища та навантаження залізобетонних балок. Теоретичні та експериментальні значення міцності задовільно узгоджуються.

Ключові слова: залізобетонні конструкції, напружено-деформований стан, несуча здатність, агресивне середовище, навантаження, одночасний вплив, тривалі процеси, методика розрахунку.

АННОТАЦИЯ

Струк Р.Ф. Влияние длительных процессов и коррозии на прочность железобетонных балок при действии нагрузки. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – “Строительные конструкции, здания и сооружения”. – Киевский национальный университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Киев, 2005.

Диссертационная работа посвящена вопросам исследования влияния длительных процессов в бетоне и коррозии на прочность железобетонных балок при одновременном действии агрессивной среды и нагрузки.

Введение содержит обоснование выбора и актуальности темы, цель, задачи исследований, научную новизну и практическое значение работы.

В первом разделе изложено состояние вопроса и сформулированы задачи исследования. Сделано обобщение выполненных экспериментальных и теоретических исследований бетона, арматуры, железобетонных конструкций в агрессивных средах. Проанализированы выполненные разными авторами исследования длительных явлений в бетоне и железобетоне. Рассмотрены существующие методики учета коррозии бетона и арматуры при расчете прочности железобетонных конструкций.

Во втором разделе изложено содержание и методика выполненных автором экспериментальных исследований.

Программой исследований предусматривались экспериментальные испытания сжатых бетонных призм с размерами 100?100Ч400 ?м на специально изготовленных установках. Конструкция установки предусматривала одновременное действие внешнего сжимающего усилия, которым создавались уровни напряжений в бетоне , и агрессивной среды в виде 10%-ого раствора серной кислоты, которую заливали в специальные, закрепленные на бетонных призмах, емкости. Опытные образцы арматуры испытывались при статически прикладываемом усилии растяжения и при циклических нагрузках с характеристикой асимметрии цикла . Особенностью было то, что испытания образцов проводились в агрессивной среде. Железобетонные балки испытывались путем приложения двух сосредоточенных сил разного уровня в третях пролета. При этом в специальные, закрепленные на балках, емкости заливали 10%-й раствора серной кислоты.

В третьем разделе рассматриваются результаты проведенных экспериментальных исследований. При испытании бетонных призм было установлено, что все образцы разрушились вследствие уменьшения поперечного сечения от